先进制造技术 课件 第四章 先进加工技术与工艺

第四章先进加工技术与工艺先进制造技术Contents4.1概述4.3高速/超高速切削技术4.5微细及微纳加工技术4.2超精密加工技术4.4特种加工技术4.6绿色制造技术4.7生物制造技术4.8本章小结4.1先进加工技术概述-3--4-4.1概述目前对先进加工技术至今尚无统一的、明确的、公认的定义，但近些年来将其定义为：先进制造技术是制造业不断吸收信息技术及现代化管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程核心：优质、高效、低耗、清洁生产的基础制造技术目的：满足用户个性化、多样化的市场需求，提高制造业的综合经济效益，高得激烈的市场竞争。数字加工技术增材制造技术-5-先进加工技术的发展历程先进加工技术从20世纪50年代末60年初就已开始发展先进加工可达到的精度已从60年代初的0.1mm逐步发展到20世纪80年代初的加工精度10nm，乃至当代的0.001μm，并将进一步向原子级发展。4.1概述-6-括精密/超精密加工技术先进加工技术高速/超高速切削技术发展趋势高精度加工高效率生产复杂结构加工多功能性和灵活性自动化和智能化资源节约与环保特种加工技术绿色制造技术生物制造技术4.1概述4.2超精密加工技术-7--8-超精密切削加工指采用金刚石刀具等超硬材料进行超精密切削，加工各种镜面，典型代表为采用金刚石刀具，进行有色金属、合金、光学玻璃、石材和复合材料的超精密加工。金刚石刀具金刚石刀具的超精密切削加工锋利的切削刃高强高硬的刀具材料切削刃应无缺陷与普通切削加工区别：切削深度小，一般在微米级；进给量很小，一般在微米级；刀具实际工作前角为负值。超精密切削加工技术4.2超精密加工技术-9-超精密磨削指采用细粒度或超细粒度的固结磨料砂轮，以及高性能磨床实现去除，加工精度可达到或者高于0.1μm，加工表面粗糙度小于0.025μm的加工方法。加工材料一般为难加工、高硬度、高脆性材料陶瓷半导体硅片宝石超硬磨料砂轮人造金刚石砂轮CBN砂轮刚玉砂轮锐利、耐磨颗粒大小均匀分布密度均匀加工机理极薄切削，切屑厚度极小，磨削深度小于晶粒大小不同磨削颗粒有不同的受力情况工件持续转动，砂轮持续切入，磨削系统存在弹性变形超精密磨削加工技术4.2超精密加工技术-10-超精密研磨抛光技术是一种具有均匀复杂轨迹的精密加工，它同时具有研磨、抛光和超精密加工的特点。研磨和抛光技术示意图加工精度高加工设备简单、投资少加工精度不稳定加工成本高、效率低技术特点:弹性发射加工磁力研磨几种纳米级研磨加工方法超精密研磨抛光技术4.2超精密加工技术4.3高速/超高速切削技术-11--12-4.3高速/超高速切削技术高速加工是高速切削加工技术和高性能切削加工技术的统称，指在高速机床上，使用超硬高强材料的刀具，采用较高的切削速度和进给速度以达到高材料切除率、高加工精度和加工质量的现代加工技术。这种加工方式具有加工效率高、表面质量好、加工精度高、工具磨损小等优点，已经被广泛应用于航空航天、汽车、模具、机械等领域的制造业中。高速加工技术13目前，不同加工方法和不同工件材料的高速/超高速切削速度范围如表所示。加工方法切削速度范围/(M/min)工件材料切削速度范围/(M/min)车700-7000铝合金2000-7500铣300-6000铜合金900-5000钻200-1100钢600-3000拉30-75铸铁800-3000铰20-500耐热合金500以上锯50-500钛合金150-1000磨5000-10000纤维增强塑料2000-90004.3高速/超高速切削技术切削速度范围14萨洛蒙曲线超高速切削概念示意图4.3高速/超高速切削技术萨洛蒙曲线描述了在切削过程中，随着切削速度的增加，切削温度的变化趋势。切削速度范围15切削速度与切削温度的关系曲线4.3高速/超高速切削技术萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线描述了在切削过程中，随着切削速度的增加，切削温度的变化趋势。切削速度范围16与常规切削加工相比，高速/超高速切削加工具有下列优势：（1）加工精度高（2）加工表面质量好（3）加工效率高（4）可加工各种难加工材料（5）加工成本降低（6）可实现绿色制造高速加工是绿色制造技术4.3高速/超高速切削技术优势高速超高速切削优势17目前，高速主轴的转速范围为10000-25000r/min，加工进给速度在10m/min以上。为适应这种切削加工，高速主轴应具有先进的主轴结构、优良的主轴轴承及良好的润滑和散热条件等。常规高速主轴包括以下几类：电主轴静压轴承高速主轴磁浮轴承高速主轴4.3高速/超高速切削技术高速主轴系统18电主轴结构4.3高速/超高速切削技术高速主轴系统电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。电主轴实物19磁浮电主轴4.3高速/超高速切削技术高速主轴系统磁轴承的工作原理是在轴颈圆周方向上布置多个互为180度的电磁铁，在轴的径向产生多对均布的吸力（或斥力），从而把主轴悬浮在空气中。磁轴承的工作原理204.3高速/超高速切削技术超高速切削进给系统超高速切削进给系统是超高速加工机床的重要组成部分，是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件。超高速切削进给系统的性能是评价超高速机床性能的重要指标之一。使用直线电动机作为进给伺服系统的执行元件，由电动机直接驱动机床工作台，并且不受离心力的影响，结构简单、重量轻，容易实现很高的进给速度。直线电机高精度运动平台21刀具材料优点缺点用途陶瓷（氧化硅、晶须增强材料、氧化铝、氮化硅）耐磨性好、抗（热）冲击性能好、化学稳定性好、抗黏结性好、干式切削韧度低，脆性强，容易产生崩刃；和铝的高温亲和力大用于切削淬火钢、硬钢、镍基高温合金、不锈钢CBN硬度高、热稳定性好、摩擦因数小、热导率高、易产生积屑瘤强度和韧度低，抗弯强度低，易崩刃，一般只用于高硬材料的精加工用于切削淬硬钢、高温合金、工具钢、高速钢金刚石硬度极高、摩擦因数很小，热导率高、耐磨性极好﹑锋利性极好强度和韧度低，抗弯强度低，易崩刃，价格昂贵，不宜用于切削含铁和钛的材料用于切削单晶铝、单晶硅、单晶锗、铝合金、黄铜，以及用于镁合金的精密/超精密切削涂层表面硬度高、耐磨性好﹑抗冲击性能好耐热性和耐磨性比CBN和金刚石差，不宜用于切削高硬度的材料用于切削高硬铝合金、钛合金表4-2高速切削常用刀具材料的性能和用途4.3高速/超高速切削技术高速切削刀具22人工智能技术的应用。未来的高速/超高速加工技术将更多地应用人工智能技术，通过大数据和机器学习算法，提高加工效率和精度。新材料的加工技术。未来的高速/超高速加工技术将更多地应用于新材料的加工，如复合材料等，具备更加先进的加工技术和设备，以满足新材料加工的要求。精度与效率的平衡。未来的高速/超高速切削加工技术将更加注重精度与效率的平衡，既要保证加工效率，也要提高加工精度，这将需要更加精密的加工设备和更高级的控制系统。切削液的环保性。未来的高速/超高速加工技术将更加注重环保，开发出更加环保的切削液，减少对环境的影响，同时提高加工质量和效率。4.3高速/超高速切削技术高速切削发展方向4.4特种加工技术-23--24-4.4特种加工技术特种加工技术是指在传统加工技术基础上发展起来的一系列高效、精密、复杂的先进制造技术。这些技术在很多方面具有显著优势，包括提高生产效率、保证制品质量、降低成本等。应用领域：航空航天、生物医学、精密仪器制造、新能源、汽车制造等特种加工的金属零件电镀金属零件特种加工技术概述-25-电火花加工电化学加工激光加工电子束加工…特种加工技术超声波加工等离子加工化学加工根据工作原理和特点可以将特种加工划分为以下几大类别：电化学加工、电火花加工、激光加工、电子束加工、超声波加工、等离子加工和化学加工等。电火花加工电化学加工激光加工离子束加工超声波加工等离子加工4.4特种加工技术特种加工技术分类电火花加工具有适用范围广、加工精度高、表面质量好、可加工复杂形状、无力学应力等优点。-26-…电火花加工技术(ElectricalDischargeMachining，EDM)是一种通过瞬间放电产生的高温等离子体来加工材料的非传统加工技术。加工原理：在一定工作介质中，利用工具电极和工件电极之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀作用来蚀除多余的材料，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量加工要求的一种工艺。电火花加工原理示意图4.4特种加工技术电火花加工技术-27-极间介质行成放电通道介质热分解、电极材料热膨胀电极材料的抛出极间介质的消电离加工过程原理示意图

电火花加工过程4.4特种加工技术-28-电化学加工(ElectrochemicalMachining，ECM)是一种通过电化学反应来去除材料的非传统加工方法。加工原理：在电化学加工过程中，工具电极与被加工零件之间存在一个电解液填充的间隙。当施加电压后，电解液中的阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移，从而实现材料的去除。电化学加工回路电解成形表面过程示意图4.4特种加工技术

电化学加工电化学加工的分类-29-电化学加工分为三大类：阳极溶解加工、阴极电沉积加工和复合加工。阳极溶解加工又因工艺方法的不同而分为电解加工、电解扩孔、电解抛光、电解去毛刺等。阴极电沉积加工又因工艺目的的不同而分为电镀、电铸、电刷镀、复合电镀等。类型与原理加工方法主要用途阳极溶解加工电解加工零件成形加工，去毛刺电解抛光表面光整阴极电沉积加工电铸结构与零件成形，型材制备电镀表面装饰与表面功能化电刷镀表面加工与尺寸修复复合电镀表面加工与复合材料制备复合加工电解磨削、电解研磨零件成形、表面光整加工电化学-机械复合研磨表面光整与镜面加工电解-电火花复合加工零件成形加工4.4特种加工技术-30-离子束加工(IonBeamMachining，IBM)是一种利用高能离子束去除材料的非传统加工方法。应用领域：微电子、光学元件制造、表面改性等。离子束加工原理及示意图4.4特种加工技术离子束加工-31-离子束加工的分类离子束加工按照其所利用的物理效应和达到目的的不同，可分为四类，即利用撞击效应和溅射效应的离子刻蚀、离子溅射沉积、离子镀膜及利用注入效应的离子注入。不同离子束加工原理示意图离子注入原理示意图离子刻蚀原理示意图离子溅射沉积原理示意图4.4特种加工技术-32-高压射流加工(High-PressureJetMachining，HPJM)是一种利用高速、高压的射流去除材料的非传统加工方法。分类：根据射流的介质不同，可以分为纯水射流加工、磨料水射流加工等。应用领域：切割、钻孔、清洗、表面处理等。高压射流加工示意图4.4特种加工技术高压射流加工-33-产生高压射流：通常采用高压泵将工作介质（如水或磨料水混合物）压缩至极高压力。通过一个特制的喷嘴将高压工作介质喷射出来，形成高速、高压射流。磨料的加入：在磨料水射流加工中，磨料（如石英砂、刚玉等）被加入到高压水中。磨料的加入可以提高射流的切削能力，使之能够加工更硬的材料。射流切割作用：当高压射流喷射到被加工材料表面时，射流对材料产生剪切作用，使材料表面的原子或颗粒脱落。材料去除：通过控制射流的压力、速度和喷射角度，可以实现对不同材料和厚度的加工。射流控制与运动：高压射流需要通过数控系统进行精确控制。数控系统可以实现喷嘴在被加工材料表面的定向移动，从而实现精确加工。高压射流加工原理4.4特种加工技术产生高压射流加入磨料射流切割作用切除材料射流控制与运动高压射流加工原理-34-水射流加工水射流加工(WaterjetMachining，WJM)又称为超高压水射流加工、液力加工、水喷射加工或液体喷射加工，俗称“水刀”，主要靠液流能和机械能实现材料加工。水射流加工原理4.4特种加工技术-35-能场辅助加工技术通过在传统切削、铣削、磨削、抛光等加工方式的基础上引入激光、超声振动和磁场等能场，弥补传统制造技术在精密/超精密加工方面能力的不足，实现其高质量低损伤的超精密制造。分类：以电化学作用为主体的电化学复合加工、以热熔化、汽化作用为主体的热作用复合加工、以化学作用为主体的化学复合加工、其他能场复合加工4.4特种加工技术能场辅助加工电化学-机械复合抛光原理示意图化学-机械复合抛光原理示意图激光辅助加工原理示意图超声辅助磨削加工原理示意图4.5微细及微纳加工技术-36--37-微细加工技术微细切削技术光刻技术刻蚀技术超薄膜形成技术离子注入技术……主要应用于大/超大规模集成电路微细加工技术指制造微型机械和微电子器件所需的各种工艺技术的总称。4.5微细及微纳加工技术技术及特点-38-芯片、微传感器微执行器微电子元件4.5微细及微纳加工技术MEMS是一个新兴的、多学科交叉的高科技前沿研究领域。微机械：体积小、重量轻、能耗低、精度高、性能可靠和灵敏度及效率高技术及特点-39-

微细加工技术随着微机械的迫切需求和产业化应用而快速发展，并表现出巨大的应用前景，它是多学科交叉融合、互相推动的结果。发展趋势多能场复合加工多材料扩展性复杂三维结构适应性从平面化二维加工过渡到复杂结构三维立体加工从单一硅片扩展到铜、铝、碳钢以及钛等多种金属复合加工有利于结合各技术优势4.5微细及微纳加工技术发展趋势介绍微细铣削-40-微细切削技术单点金刚石技术超精密微细切削加工精度可达300nm，表面粗糙度10nm微细切削是目前最常用的微加工技术，广泛应用于制造极小的高精密零件的工业。传统工艺加工精度一般为微米级微细切削机床正朝着微型化和智能化发展4.5微细及微纳加工技术-41-微细电加工技术线电极放电磨削(WEDG)和线电极电化磨削(WECG)就是典型的两种微细电加工方法，WEDG与WECG的加工机床和工艺基本相似。用WEDG加工微小型刀具的简明工艺流程4.5微细及微纳加工技术-42-光刻加工技术

光刻加工是微细加工中广泛使用的一种加工方法，用于微电子集成电路制造。光刻流程涂胶、前烘显影、坚膜刻蚀去胶完成4.5微细及微纳加工技术-43-光刻加工技术

光刻机的研究成为了近些年重点方向。镜头光刻机EUV光刻系统中对镜头的要求

:类型：全反射镜数值孔径：0.33尺寸:约300mm面形精度:小于0.05nm光刻机是光刻技术的核心!4.5微细及微纳加工技术-44-（准）LIGA技术

LIGA技术是一种使用X射线的深度光刻、电铸成形和注射相结合，实现深宽比大的微细构件的成形方法。LIGA工艺制造的精密齿轮三维立体微细加工技术克服了大深宽比微结构的加工难题成本高（准LIGA技术出现）4.5微细及微纳加工技术-45-

微纳加工技术（Nanomanufacturingtechnology）近些年广受关注，它是从纳米尺度按照自上而下或自下而上的方式制造器件。碳纤维管纳米制造台积电“1nm”半导体工艺IBM原子排列纳米制造原子水平上的自我复制、去除与装配纳米制造即纳米技术在工业的一项具体应用！4.5微细及微纳加工技术微纳加工技术-46-

分为传统加工、非传统加工和复合加工，目前复合加工在纳米尺度制造的应用是最有前景的。基于FIB的纳米刀具制备相较传统技术，精度更高﹑刃形复杂、表面损伤更低！微纳加工技术4.5微细及微纳加工技术-47-微纳加工技术精密机械能源化工3D/4D打印芯片微纳加工技术在航空、机械、医学和化工等领域均有重要应用!生物医药发展与应用4.5微细及微纳加工技术4.6绿色制造技术-48--49-4.6绿色制造技术绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。特点产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低。先进制造技术制造问题环境保护问题资源优化利用问题涉及问题绿色制造技术绿色制造技术零部件再制造是指在废旧产品实施技术修复和改造中所设计的一种技术，通常以零部件的性能失效分析、寿命评估等为基础，采用一系列的工程措施将损坏或失效的零部件再制造为能够重新服役的零部件。-50-零部件再制造机电产品生命周期过程简图先进制造技术4.6绿色制造技术激光增材再制造技术等离子熔覆成形技术铁基合金镀铁再制造技术类激光高能脉冲精密冷补技术金属表面强化减摩自修复技术常见技术金属零部件表面粘涂修复技术激光增材再制造是以激光熔覆技术为基础，对服役失效零件及误加工零件进行几何形状及力学性能恢复的技术行为。-51-激光增材再制造技术4.6绿色制造技术航空发动机燃气轮机钢铁冶金军队应用:激光熔覆技术先进制造技术拆解清洗分类检测判别再制造修复热处理后加工检验等离子熔覆再制造技术是以等离子熔覆技术为基础，对服役失效零件及误加工零件进行几何形状及力学性能恢复的技术行为。-52-等离子熔覆再制造技术等离子熔覆成形技术先进制造技术4.6绿色制造技术铁基合金镀铁再制造技术是一种主要用于修复各种类型零部件的再制造技术,在无刻蚀镀铁技术的基础上，在单金属镀铁液中加入适量的镍，钴等合金元素，获得Fe、Ni、Co合金镀层，使其比单金属镀铁层具有更好的力学性能。-53-铁基合金镀铁再制造技术铁基合金镀铁再制造流程图先进制造技术4.6绿色制造技术恢复磨损零件的形位尺寸；再制造后的产品机械性能不低于新品；工艺流程时间短；价格低；大量节省时间和资金成本。优点:类激光高能脉冲精密冷补技术是利用钨电极与工件之间产生的高能脉冲电弧热快速熔化母材和填充焊材,实现精密冷补的种新型焊补技术。-54-类激光高能脉冲精密冷补技术类激光高能脉冲精密冷补技术先进制造技术4.6绿色制造技术最大功率可达40kW；冷补层致密，修复成形好；冷补层厚度大、强度高；不起泡、不易产生裂纹;冷补效果可与电子束焊、激光焊相媲美。优点:绿色清洗是指与有竞争力的同类产品或服务相比对人类健康和环境产生较小影响的清洁产品或服务。进行比较的方面可以是产品或服务涉及到的原材料的获取、生产、加工、包装、物流、循环再利用、操作、维护，或废物处理等。-55-绿色清洗技术先进制造技术4.6绿色制造技术绿色清洗技术高压水射流清洗技术超声波清洗技术激光清洗技术熔盐超声复合清洗技术4.7生物制造技术-56--57-4.7生物制造技术生物制造是指运用现代制造科学和生命科学的原理和方法，通过单个细胞或细胞团簇的直接和间接受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体成形和制造的技术。仿生制造、生物质和生物体制造及涉及生物学和医学的制造科学和技术均视为生物制造。智能微通道阵列生物芯片制造生物增材制造技术及应用生物制造技术-58-4.7生物制造技术《“十四五”生物经济发展规划》明确将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展方向，提出“依托生物制造技术，实现化工原料和过程的生物技术替代，发展高性能生物环保材料和生物制剂，推动化工、医药、材料、轻工等重要工业产品制造与生物技术深度融合，向绿色低碳、无毒低毒、可持续发展模式转型”。《“十四五”生物经济发展规划》-59-4.7生物制造技术具体到机械制造领域，生物制造可以理解为直接利用生物大分子、细胞、组织、结构及生命过程等生物手段或采用基于生物原理的加工工具、润滑方式、运动方式等进行工程材料、结构、零件、系统的合成、加工、成形、操作的制造技术。生物打印生物制造生物制造技术60（1）生物活性组织的工程化制造（2）类生物智能体的制造（3）生物遗传制造（4）用生物机能的去除或生长成型加工生物制造的主要内容和方向包括但不限于以下几个方面：4.7生物制造技术生物制造技术614.7生物制造技术生物制造工程的体系结构目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科学、生命科学、计算机技术、信息技术、材料科学各领域的最新成果组合起来，使其彼此沟通起来用于制造业，是生物制造工程的主要任务。62生物成形技术的内容4.7生物制造技术生物成形技术生物成形生物成形制造是指通过单个细胞或细胞团簇直接和间接地受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体的成形和制造。生物加工就是利用生物去除成形、约束成形、生长成形等方法达到所需制造的目的。63目前医学上采用金属等人工材料制成的器官替代物为医疗康复服务，但其缺点是异种组织器官存在人体的排异反应，无法参与人体的代谢活动，使康复工程有很大